酸浸法去除煙氣脫硫活性焦中酸溶性礦物的研究

孟園，王濤，熊超，王連升，安良，石零

酸浸法去除煙氣脫硫活性焦中酸溶性礦物的研究

孟園，王濤，熊超，王連升，安良*，石零*

（江漢大學 工業煙塵污染控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430056）

活性焦中的酸溶性礦物在煙氣脫硫過程中會溶解，污染脫硫產物。本研究嘗試采用酸浸法去除活性焦中的酸溶性礦物，系統研究了攪拌速率、酸浸時間、鹽酸濃度、固液比例對除灰效果的影響。結果表明：鹽酸可以有效浸出活性焦中的酸溶性礦物，酸浸處理的最佳工藝條件為：攪拌速率200 r/min、酸浸時間12 h、鹽酸濃度10%wt、固液比例30∶100。

活性焦； 煙氣脫硫 ； 礦物； 灰分； 酸解

活性焦是煤炭干餾的產物之一，它具有活性炭的碳含量高、存在內部孔道結構等特點[1]。雖然活性焦的比表面積遠小于活性炭，但其表面活性基團更為豐富，且市場價格更為低廉，因此可以替代活性炭，用于煙氣脫硫[1]。活性焦的主要原料是灰成分含量較高的煤炭，導致活性焦中一般含有5%~20%的無機礦物（灰分）[2]。無機礦物主要包含黏土類礦物、硫化物、碳酸鹽及氧化物等，其中硫化物、碳酸鹽和部分氧化物均不耐酸腐蝕[3]。由于煙氣中含有水蒸氣，活性焦脫硫過程中會生成H2SO4，因此活性焦表面會形成高溫酸性環境，導致活性焦中的部分無機礦物溶解。溶解的礦物會污染脫硫產物，降低脫硫產物的價值。本研究嘗試對煙氣脫硫活性焦進行酸浸處理，以期在活性焦使用之前除去酸溶性礦物，避免對脫硫產物造成污染。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

濃鹽酸為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。活性焦為煙氣脫硫專用9 mm柱狀活性焦，購于河南省平頂山市某炭業公司。將購得的活性焦粉碎至80目以下，然后采用《焦炭工業分析測定方法(GB/T 2001-2013)》對活性焦粉末進行工業分析。分析結果中水分含量為9.8%，灰分含量為15.51%，揮發分含量為19.78%，固定碳含量為54.91%。

1.2 酸浸實驗

酸浸除灰處理的具體流程如下： 將濃鹽酸稀釋，配制一定濃度稀鹽酸。稱取一定質量活性焦粉末，加入一定體積稀鹽酸，然后磁力攪拌。酸浸時間達到后，采用抽濾的方式進行固液分離。收集黑色固體，用純水洗滌，直至洗滌液達到中性為止。最后將固體置于烘箱中，120oC條件下干燥12 h，獲得除灰后的活性焦粉末。采用《焦炭工業分析測定方法(GB/T 2001-2013)》測定酸浸處理后的活性焦粉末的灰分，并計算其灰分去除率。本研究中重點探究了攪拌速率、酸浸時間、鹽酸濃度、固液比例四個影響因素。

2 結果與討論

2.1 攪拌速率的影響

在無機礦物的酸性浸出處理過程中，攪拌與否以及攪拌的快慢往往會影響酸溶性礦物浸出的速率和浸出率。因此，本研究首先探究了攪拌速率對活性焦灰分和灰分去除率的影響，實驗過程中固定酸浸時間為8 h，鹽酸濃度為5%wt，固液比例為20∶100，改變攪拌速率，實驗結果如圖1所示。可以觀察到，酸浸過程中不施加攪拌，處理后的活性焦殘余灰分最高，灰分去除率最低，分別為12.22%和21.21%。隨后，隨著攪拌速率的升高，殘余灰分呈現先減小后增加的趨勢，而灰分去除率則呈現先增大后減小的趨勢，攪拌速率為200 r/min時，酸浸效果最佳。在合適的攪拌速率下，鹽酸溶液中的活性焦顆粒會保持懸浮狀態，并迅速運動。因此，固液可以充分接觸，確保酸溶性礦物與鹽酸迅速反應，并快速浸出[4]。但在實驗過程中還觀察到，當攪拌速率過快時，會有部分活性焦顆粒附著于燒杯內壁上部，該部分活性焦無法與鹽酸接觸，因此酸溶性礦物難以有效浸出，并最終導致整體活性焦樣品的灰分較高，灰分去除率較低。

圖1 攪拌速率對活性焦灰分和灰分去除率的影響

2.2 酸浸時間的影響

從本質上講，活性焦中酸溶性礦物的浸出過程屬于化學反應過程，因此酸浸時間（即反應時間）是必要考慮的因素。實驗過程中固定攪拌速率為400 r/min，鹽酸濃度為5%wt，固液比例為20∶100，改變酸浸時間，實驗結果如圖2所示。

圖2 酸浸時間對活性焦灰分和灰分去除率的影響

酸浸時間為2 h時，處理后的活性焦殘余灰分和灰分去除率分別為12.08%和22.11%，此后隨著酸浸時間的延長，殘余灰分呈現逐漸降低的趨勢，而灰分去除率則呈現逐漸升高的趨勢。當酸浸時間達到48 h，活性焦殘余灰分和灰分去除率分別達到11.75%和24.24%，此時活性焦中的酸溶性礦物的去除效果最佳。分析以上數據可以發現，延長酸浸時間確實可以增強酸溶性礦物的去除效果，但增強的幅度有限。若僅從脫除效果角度考慮，可以盡量延長酸浸時間；但若考慮到生產效率，則可以適當縮短酸浸時間。

2.3 鹽酸濃度的影響

酸浸法的原理是活性焦中的部分酸溶性礦物與H+反應，然后以離子形態溶出，因此反應體系中H+的濃度會顯著影響礦物的浸出效果[5]。反應體系中H+的濃度高低既可以直接用pH值度量，也可以采用鹽酸的濃度衡量。實驗過程中固定攪拌速率為400 r/min，酸浸時間為8 h，固液比例為20∶100，改變鹽酸初始濃度，實驗結果如圖3所示。

圖3 鹽酸濃度對活性焦灰分和灰分去除率的影響

當鹽酸初始濃度為1%wt時，處理后的活性焦殘余灰分為12.44%，而灰分去除率僅為19.79%。此后，隨著鹽酸濃度的逐步升高，灰分逐漸降低，灰分去除率則逐漸升高。當鹽酸初始濃度達到20%wt時，兩項指標均達到極值，此時灰分和灰分去除率分別為11.66%和24.82%。顯然，在固定其他因素的前提下，提高鹽酸初始濃度可以有效提升酸溶性礦物的去除效果。但是需要注意的是，不能盲目提高鹽酸初始濃度，一方面高濃度鹽酸易揮發產生酸霧，不僅會浪費鹽酸，還會污染環境、腐蝕設備[6]；另一方面，鹽酸濃度過高也會增大處理后的活性焦后期清洗的難度。

2.4 固液比例的影響

在酸浸處理活性焦的過程中，固液比例會影響處理后活性焦的灰分去除率，同時還會影響活性焦除灰過程的生產效率。實驗過程中固定攪拌速率為400 r/min，酸浸時間為8 h，鹽酸濃度為5%wt，改變固液比例，實驗結果如圖4所示。圖中可以觀察到，隨著固液比例的升高，灰分曲線呈現“平臺—上升”的變化趨勢，而灰分去除率曲線則呈現“平臺—下降”的變化趨勢。當固液比例達到60∶100，活性焦除灰效果最差。此時，處理后的活性焦樣品灰分高達12.64%，灰分去除率僅為18.50%。分析圖中灰分和灰分去除率各自對應曲線的變化規律，可知固液比例選擇30∶100更為合適。

圖4 固液比例對活性焦灰分和灰分去除率的影響

3 結 論

（1）采用鹽酸浸泡（酸浸）的方法可以有效除去活性焦中的部分無機礦物，攪拌速率、酸浸時間、鹽酸濃度和固液比例四個因素均會影響酸浸處理的效果。

（2）活性焦酸浸處理的最佳工藝條件為：攪拌速率200 r/min、酸浸時間12 h、鹽酸濃度10%wt、固液比例30∶100。

（3）在煙氣脫硫之前，預先對活性焦進行酸浸處理可以有效降低酸溶性礦物的含量，也將有效提高脫硫產物硫酸或硫酸鹽的質量。

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［4］孫文瀚, 代淑娟, 羅娜, 等. 基于礦石溶解性差異的菱鎂礦酸浸脫鈣[J]. 中國有色金屬學報, 2019, 29 (08): 1733-1739.

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Removal of Acid-soluble Minerals From Activated Coke for Flue Gas Desulfuration With Acid Leaching Method

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（Hubei Key Laboratory of Industrial Fume and Dust Pollution Control, Jianghan University, Hubei Wuhan 430056, China）

Acid-soluble minerals in activated coke can be dissolved out and pollute the products in flue gas desulfurization process. In this research, the acid leaching method was applied to remove acid-soluble minerals from activated coke, and the influences of stirring rate, acid leaching time, concentration of HCl, and solid-liquid ratio on the removal efficiency of acid-soluble minerals were studied systematically. The results showed that the optimum conditions for acid leaching process were as follows: the stirring rate 200 r/min, the acid leaching time 12 h, the concentration of HCl 10%(wt), and the solid-liquid ratio 30∶100.

activated coke; flue gas desulfurization; minerals; ash; acidolysis

沈陽工業大學科研成果介紹

高濃難降解有機廢水預處理集成裝備

適用范圍：制藥、農藥、顏料、焦化等行業高濃度難降解有機廢水。

參照標準：一般厭氧生化處理技術進水要求。

技術優勢：

設備集合電催化氧化、兩級微電解、混凝工藝優勢，適宜于多種行業高濃度難降解有機廢水處理，處理效率高；集裝箱式集成化設計，便于運輸、移動；設備中不同容器水力停留時間可調節，適應水質水量變化。

聯系人：梁吉艷 電話：024-25497158，E-mail：liangjiyan2005@126.com

X701.3

A

1004-0935（2020）04-0334-03

2019年湖北省技術創新專項重大項目，項目號：2019ACA160。

2019-1-8

孟園（1998-），男，河南省固始縣人，江漢大學化學工程與工藝專業本科生。

安良（1989-），男，講師，研究方向：化工污染防治；石零（1968-），男，教授，研究方向：大氣污染控制。